尿塔內件改進設想

安長征

（安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽臨泉 236400）

在水溶液全循環法尿素生產裝置中，尿素合成塔的CO2轉化率是決定裝置各項消耗及系統穩定運行的關鍵因素。為了提高CO2轉化率，我們在合成塔內安裝了旋流板和多孔板，以提高氣液混合程度，減輕返混。

在尿塔內物料自下而上的流動過程中，快速生成的甲銨逐步脫水生成尿素。在這個過程中，隨著尿素生成反應的進行，尿素和水組分濃度增加，甲銨和液、氣氨，CO2組分濃度減少，上部物料的密度因而大于下部物料密度，故存在密度大的物料相對下沉，密度小的物料相對上升的流動，此現象被稱為 “物料的返混”。物料返混現象的出現，造成尿塔下部生成物（尿素和水）增多，反應推動力減小，甲銨脫水生成尿素反應速度降低。同時，造成未反應物以較快的速度升至塔頂，這部分物料在塔內停留時間短。因而，返混現象降低了尿素合成反應的CO2轉化率。

尿塔內物料的密度上大下小是塔內物料返混的主要原因之一，解決這個問題的最好辦法是改變物料流向。而尿塔設計為物料下進上出的原因應該是促進CO2氣體在塔內與液相的充分混合反應，若物料上進下出，則會出現CO2氣體和惰性氣體在塔頂積聚、氣液分層、混合不充分、液相空間小的情況。為此，筆者提出以下建議。

1 增加內件

可以用給尿塔增加一個內件的方法來改變物料流向，從而減輕物料返混，如圖1。

圖1 尿塔內件示意

甲銨生成速度相對較快，決定其反應速度的因素是氣液混合的程度，尿塔下部的旋流板可以促進氣液兩相的初步混合，促成大部分的甲銨生成反應。上部的多孔板在減輕板上、下物料回流的同時，進一步促進氣液兩相的混合，加快殘余甲銨生成反應的速度。

2 增加一個CO2 分布器

如一吸塔下部的鼓泡器，也可做成樹枝狀，目的是讓CO2氣體多股、分散進入塔內（如圖1），形成氣泡。在CO2入塔之初就使其與液相盡可能混合，提高反應速度，并可減少合成塔下部的低溫區范圍，加快反應的進行，減少或去掉旋流板。由于塔內物料的流速較慢，旋流板并不能起到很好的混合效果。加之CO2分布器的作用，用多孔板替代旋流板以起到促進氣液混合和降返混的作用，下部塔板可以開孔多一些。

3 在合成塔上部安裝內筒

如圖1所示，安裝一個內筒，高度為合成塔高度的一半，容積為合成塔容積的1／3。內筒與塔壁間隔100mm，下面錐形封閉，合成塔出料管下端（加防異物隔板）接近錐形的底部。

三物料從下部進入尿塔后，經過塔板進入內筒和塔壁間的環隙到達尿塔頂部，這時甲銨生成反應完成絕大部分。物料在環隙中的流動比原流程流速快，湍流程度高，混合、反應更充分，返混現象也會因高徑比的增加而降低。內筒的頂部盡量接近塔頂，以減少可能出現的氣相空間，在內筒的頂部壁上徑向均勻開水平高度相等的8個半圓孔，半徑50mm，目的是讓環隙的物料均勻進入內筒，避免因內筒上沿不水平而造成的偏流。

物料進入內筒時，甲銨生成反應已進行相當充分，殘余氣相CO2已不是提高轉化率的主要矛盾，物料進入內筒后的反應主要是甲銨脫水生成尿素的反應，在物料自上而下的過程中，隨著脫水反應的進行，物料密度相應增加，到達內件的錐形底部時，尿素含量最高，密度最大。由于物料的密度是下大上小，故出現返混的狀況減輕。更由于未反應物的密度低，向下流動的速度慢，相應增加了在塔內的停留時間，也促進了CO2轉化率的提高。錐形底的作用一方面是減輕合成塔下部物料對內件的沖刷，另一方面是避免在內件上下出現死區。

物料經出液管由內件底部引出塔外。

根據經驗，塔內的物料溫度是逐步升高的，理論上的原因應該是生成的尿素和水使甲銨的沸點降低，塔內物料的飽和蒸汽壓降低，氣相液化成液氨、甲銨，氣氨液化和甲銨生成反應放熱大于尿素生成反應的吸熱，造成物料溫度逐步升高。物料在內筒內向下流動時，氣相滯流在上部，故在流動、反應中的溫升會較低，可以控制內筒頂部溫度為塔內最高溫度，以提高尿素脫水反應速度。

4 塔頂安裝排氣管

塔頂的不凝性氣體積聚是個應該考慮的問題。在內件上部，物料中的不凝性氣體會溢出積聚，量雖小，且部分可在高壓下溶在液相中經出料管帶出塔外，但氣相的積聚是避免不了的。氣相的存在導致內件內的液面下降，尿塔容積利用率下降。我們可以在塔頂安裝排氣管，以安裝在尿塔上部的放射性液位計測得的塔內液位為參數，通過排氣管上的調節閥排出不凝性氣體，自動調節合成塔液位。視排出氣體成分可將氣體排入中壓或尾吸塔。